提高雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障穿越能力的控制策略

高仕紅，張昌華，耿東山，李紹武

（湖北民族學(xué)院，湖北 恩施 445000）

0 引言

目前，兆瓦級(jí)雙饋異步發(fā)電機(jī)(Double-Fed Induction Generator，DFIG)廣泛用于變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特殊的入網(wǎng)方式及功率的調(diào)節(jié)手段，導(dǎo)致機(jī)組對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)非常敏感[1]。特別因電網(wǎng)故障引起的DFIG機(jī)端電壓跌落，導(dǎo)致DFIG轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)電流[2-3]，如不采取適當(dāng)措施加以限制，必引起轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(Rotor-Side Converter，RSC)的熱損壞。近幾年，許多學(xué)者對(duì)如何提高雙饋異步發(fā)電機(jī)故障穿越能力進(jìn)行了大量的研究，主要研究成果可歸納為三類：(1)在轉(zhuǎn)子側(cè)或 Dc-link直流側(cè)添加 Active crowbar[4-5]，其對(duì)電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落有效，但在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重不對(duì)稱跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中流過(guò)較大的負(fù)序電流，限制了DFIG的故障穿越能力；(2)在DFIG系統(tǒng)中安裝額外的變換器或動(dòng)態(tài)電阻器[6-7]，其對(duì)各種電網(wǎng)電壓跌落類型都適用，提高了DFIG的故障穿越能力，但增加了DFIG系統(tǒng)的費(fèi)用和復(fù)雜性；(3)對(duì)傳統(tǒng)控制策略的改進(jìn)以及定子磁鏈去磁[8-9]，是目前廣大學(xué)者較熱衷的控制策略，但在電網(wǎng)故障期間整個(gè)控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能較差，達(dá)不到DFIG故障穿越的要求。

針對(duì)傳統(tǒng)控制策略瞬態(tài)響應(yīng)速度慢和控制帶寬窄的缺點(diǎn)，提出一個(gè)基于雙滯環(huán)電流矢量控制器的故障穿越控制策略。所提出的雙滯環(huán)電流矢量控制器具有非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)速度和較寬的控制帶寬，可滿足電網(wǎng)對(duì)DFIG故障穿越的要求。

1 DFIG轉(zhuǎn)子開路電壓分析

依據(jù)電動(dòng)機(jī)慣例，在定子坐標(biāo)系下DFIG定、轉(zhuǎn)子電壓及磁鏈的動(dòng)態(tài)矢量方程分別為[1-3]

式中：ψiu,,分別為電壓、電流、磁鏈?zhǔn)噶浚籐R,分別為電阻、電感；下標(biāo) mr,s, 分別為定子、轉(zhuǎn)子及激磁參數(shù)；上標(biāo)s為歸算到定子側(cè)的參數(shù)；rw為轉(zhuǎn)子的電角速度。

對(duì)RSC來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)子電壓是最重要的變量，消除式(1)、式(2)中的si及srψ，可得轉(zhuǎn)子電壓sru的表達(dá)式[5]為

式中：sr0u為轉(zhuǎn)子開路電壓(由定子磁鏈產(chǎn)生)，，是影響轉(zhuǎn)子電流動(dòng)態(tài)性能的擾動(dòng)項(xiàng)；s為轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)

1.1 正常運(yùn)行時(shí)DFIG的轉(zhuǎn)子開路電壓

若忽略定子電阻，DFIG穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的定子磁鏈?zhǔn)噶繛閇5,7]

式中：sU為定子電壓幅值；1w為同步電角速度。

因此，由式(3)、式(4)可得定子磁鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子開路電壓sr0u為

式中，s為DFIG的轉(zhuǎn)差率，1r/1ww-=s。

由式(5)可知，DFIG在正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子開路電壓幅值較小，為定子電壓幅值的倍。

1.2 機(jī)端電壓對(duì)稱跌落時(shí)DFIG的轉(zhuǎn)子開路電壓

電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障是最嚴(yán)重的情況，在此只分析這類故障引起的DFIG機(jī)端電壓跌落情況。假設(shè)0=t時(shí)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，忽略暫態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)DFIG的定子電壓可近似表示為[5]對(duì)應(yīng)機(jī)端對(duì)稱短路的故障情況。

若忽略DFIG的定子電阻，其定子磁鏈近似等于定子電壓的積分，定子磁鏈中由定子電壓產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)分量sfψ為

式中，D為電壓跌落系數(shù)，

由磁鏈?zhǔn)睾阍砜芍?，電壓跌落瞬間DFIG定子磁鏈不能突變，因此磁鏈中必出現(xiàn)暫態(tài)直流分量其表達(dá)式為

式中，sT￠為定子暫態(tài)時(shí)間常數(shù)，其中sL￠為定子瞬態(tài)短路電感。

因此，電網(wǎng)三相短路使DFIG機(jī)端電壓跌落后的定子磁鏈可表示為

由式(3)、式(9)可得定子磁鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子開路電壓sr0u為

由于定子電阻很小，可忽略s/1T￠。因此，式(10)可簡(jiǎn)化為

由式(11)可知，在機(jī)端電壓跌落瞬間（0=t），轉(zhuǎn)子開路電壓則轉(zhuǎn)子開路電壓幅值約為正常時(shí)的2.3倍。在這樣高的電壓作用下，若電流調(diào)節(jié)器沒有足夠快的瞬態(tài)響應(yīng)速度，在轉(zhuǎn)子繞組中必將產(chǎn)生過(guò)電流。

圖1為 2 MW 雙饋異步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓跌落1.0 p.u.及電壓恢復(fù)時(shí)，PI電流調(diào)節(jié)器作用下轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)響應(yīng)波形。由此可看出，在機(jī)端電壓跌落和恢復(fù)期間，由于PI電流調(diào)節(jié)器較慢的瞬態(tài)響應(yīng)速度和較窄的控制帶寬，轉(zhuǎn)子實(shí)際電流不能很好地跟蹤參考電流。因此，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生很大的振，若取3.0-=s，蕩沖擊電流。由此看來(lái)，如何提高RSC電流調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應(yīng)速度，使轉(zhuǎn)子電流能較好地跟蹤參考電流，可提高DFIG的故障穿越能力。

圖1 轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)響應(yīng)波形Fig. 1 Transient response waveforms of rotor current

2 滯環(huán)電流矢量控制的電流調(diào)節(jié)器

滯環(huán)電流矢量控制器最初用于有源電力濾波器，其表現(xiàn)出許多優(yōu)越性能，如：非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)速度、簡(jiǎn)單的硬件實(shí)施以及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的不敏感等[10-11]。

2.1 RSC輸出的離散電壓矢量

引入開關(guān)函數(shù)aS、bS、cS，RSC共有8種開關(guān)模式，由分析可知三相橋臂之間存在關(guān)聯(lián)現(xiàn)象[10]，RSC輸出的各相電壓取決于其三相橋臂的總體狀態(tài)cbaSSS ，其開關(guān)狀態(tài)及輸出的對(duì)應(yīng)電壓見附錄A表A1(以dcU 為基準(zhǔn))。

為了消除相間影響，引入空間矢量，即靜止正交αβ-坐標(biāo)。當(dāng)a軸與a軸重合時(shí)，根據(jù)表A1可得RSC輸出電壓矢量為[11-12]

在式(12)中，如果考慮所有的開關(guān)狀態(tài)組合，可得RSC輸出的8個(gè)離散電壓矢量為

由式(13)可知，RSC輸出的離散電壓矢量由 6個(gè)非零電壓矢量(1u~6u)和2個(gè)零電壓矢量(70/uu )組成，其空間分布及參考電壓區(qū)間如圖2所示。

圖2 離散電壓矢量的空間分布Fig. 2 Space distribution of discrete voltage vectors

2.2 滯環(huán)電流矢量控制器的實(shí)施

在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)中，由式(3)可得DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸出電壓為

若定義電流誤差，由式(14)可導(dǎo)出DFIG轉(zhuǎn)子電流誤差的矢量方程為

若忽略轉(zhuǎn)子電阻，要使轉(zhuǎn)子電流誤差矢量為零，定義RSC輸出的參考電壓矢量為

由式(15)、式(16)可得簡(jiǎn)化的DFIG轉(zhuǎn)子電流誤差矢量方程為

由式(16)、式(17)可知，要完全消除轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電流跟蹤誤差，必須計(jì)算出參考電壓矢量由于在工程實(shí)際中準(zhǔn)確獲得轉(zhuǎn)子開路電壓r0u和參考電流的導(dǎo)數(shù) td/d*ri 難以實(shí)現(xiàn)，所以不可能準(zhǔn)確計(jì)算出參考電壓矢量*ru。實(shí)際上不需要計(jì)算參考電壓矢量*ru，只要判斷出參考電壓矢量*ru所處的空間位置，適當(dāng)?shù)剡x擇轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的電壓矢量，控制轉(zhuǎn)子電流誤差矢量riD的變化率td/driD，就可達(dá)到控制轉(zhuǎn)子電流誤差矢量riD。雙滯環(huán)電流矢量控制器(Vector-Based Double Hysteresis Current Controller，VBDHCC)的原理圖如圖3所示。

圖3 滯環(huán)電流矢量控制器原理框圖Fig. 3 Principle diagram of VBDHCC

在三相abc轉(zhuǎn)子坐標(biāo)中，采用兩組滯環(huán)比較器：一組為滯環(huán)帶寬為ddD+的輔滯環(huán)比較器，根據(jù)其輸出的狀態(tài)值coboaoBBB 來(lái)確定參考電壓*ru所處的空間位置(如圖2所示)，由此確定出RSC輸出的最優(yōu)電壓矢量集。另一組為滯環(huán)帶寬為d的主滯環(huán)比較器，用于跟蹤參考電流。根據(jù)其輸出的狀態(tài)值利用區(qū)間偵測(cè)器所確定的最優(yōu)電壓集，選擇最優(yōu)電壓作為RSC的輸出電壓矢量。在控制過(guò)程中為了減少轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的平均開關(guān)頻率，并抑制輸出電流的振蕩，根據(jù)參考電壓*ru所處的空間位置，主動(dòng)引入零電壓矢量(70/uu )?；陔p滯環(huán)電流矢量控制采用的開關(guān)表如表1所示。

表1 滯環(huán)電流矢量控制的開關(guān)表Table 1 Switching table of VBDHCC

所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制器僅需測(cè)量轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)值，變換器的門信號(hào)直接用開關(guān)表產(chǎn)生，取消了傳統(tǒng)矢量控制的調(diào)制單元，使其具有內(nèi)在的電流限制屬性和非常快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，由此在DFIG轉(zhuǎn)子等效電路中轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可看成一個(gè)可控電流源，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和電壓擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。

2.3 兩個(gè)控制器的過(guò)渡策略

所提出的DFIG故障穿越控制策略由兩個(gè)不同的開關(guān)策略組成。正常運(yùn)行時(shí)及電壓跌落穩(wěn)定后，PI電流調(diào)節(jié)器以最優(yōu)穩(wěn)態(tài)性能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流；電壓跌落瞬態(tài)期間，DFIG轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生較大的沖擊振蕩電流，PI電流調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不足以維持轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流的精確控制，電流跟蹤誤差將超過(guò)PI調(diào)節(jié)器的誤差帶寬，當(dāng)觸擊到控制器的電流設(shè)計(jì)限值時(shí)，電壓跌落監(jiān)控單元激活雙滯環(huán)電流矢量控制器，設(shè)其作用時(shí)間為50 ms(目的是考察雙滯環(huán)電流矢量控制器作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及兩個(gè)控制器之間切換的平穩(wěn)性)。電壓恢復(fù)過(guò)程中兩個(gè)開關(guān)控制策略之間的轉(zhuǎn)換原理同電壓跌落期間一樣。采用的開關(guān)策略如圖4所示。

圖4 開關(guān)策略Fig. 4 Switch strategy

由于雙滯環(huán)電流矢量控制器具有非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)，用可以忽略的響應(yīng)時(shí)間，強(qiáng)迫轉(zhuǎn)子電流保持在滯環(huán)帶寬內(nèi)。但從雙滯環(huán)電流矢量控制器直接過(guò)渡到PI控制器是不可取的，由于PI電流調(diào)節(jié)器瞬態(tài)響應(yīng)速度慢，直接過(guò)渡將在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生較大的電流振蕩。因此，為了獲得一個(gè)較穩(wěn)定的過(guò)渡，過(guò)渡時(shí)利用雙滯環(huán)電流矢量控制器的門信號(hào)，經(jīng)過(guò)一階低通濾波器得到RSC的輸出電壓矢量，重新初始化PI電流調(diào)節(jié)器。

3 故障穿越控制策略仿真研究

為了驗(yàn)證所提出的故障穿越控制策略對(duì)提高DFIG故障穿越能力的有效性，在 Matlab/Simulink中構(gòu)建了仿真模型，2 MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)見附錄A表A2。仿真時(shí)為達(dá)到在不同的電流控制器之間的精確比較，保持RSC外部功率控制環(huán)的功率和轉(zhuǎn)子速度為常數(shù)。所提出的DFIG故障穿越控制策略實(shí)施框圖如圖5所示。滿載穩(wěn)定運(yùn)行。0.1 st= 時(shí)機(jī)端電壓跌落，電壓跌落持續(xù)時(shí)間為0.1 s。為評(píng)估所提出的故障穿越控制策略在機(jī)端電壓深度跌落時(shí)的故障穿越能力，在此對(duì)機(jī)端電壓三種跌落類型情況進(jìn)行了仿真研究，轉(zhuǎn)子電流rabci 、dc-link電壓dcU 和電磁轉(zhuǎn)矩

圖5 故障穿越控制策略框圖Fig. 5 Block diagram for fault ride-through control strategy

圖6 所提出控制策略下的 rabci 、dcU 和 emTFig. 6 rabci ,dcU andemT for proposed control strategy

一般情況下，在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器過(guò)調(diào)制運(yùn)行下Dc-link的安全限制電壓為額定電壓的1.3倍，允許的轉(zhuǎn)子安全限制電流為額定電流的2倍[10]。由圖6及圖A1的分析比較可知，在所提出的復(fù)合控制器作用下，DFIG能很好地滿足電網(wǎng)要求的故障穿越要求，仿真分析比較結(jié)果如表2所示。在機(jī)端電壓跌落至電壓恢復(fù)期間，對(duì)稱跌落時(shí)控制器的切換時(shí)刻分別為0.100 2 s、0.210 7 s；電網(wǎng)相間故障時(shí)控制器的切換時(shí)刻分別為0.100 1 s、0.160 5 s；一相跌落時(shí)控制器的切換時(shí)刻分別為0.100 4 s、0.164 9 s。

表2 仿真結(jié)果Table 2 Simulation results

4 結(jié)論

為深入理解 PI電流調(diào)節(jié)的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障穿越能力弱的原因，詳細(xì)分析了因電網(wǎng)三相短路導(dǎo)致DFIG機(jī)端電壓對(duì)稱跌落時(shí)轉(zhuǎn)子開路電壓的動(dòng)態(tài)特性。由于PI電流調(diào)節(jié)器有限的瞬態(tài)響應(yīng)速度和控制帶寬，機(jī)端電壓跌落時(shí)在轉(zhuǎn)子端感應(yīng)較高的開路電壓是引起轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電流的本質(zhì)原因。

為提高雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的故障穿越能力，在此提出了基于雙滯環(huán)電流矢量控制的故障穿越策略。電網(wǎng)故障及故障清除期間，應(yīng)用兩個(gè)不同的開關(guān)控制策略。在兩個(gè)控制器切換時(shí)應(yīng)用了重新初始化技術(shù)，使其達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)渡。為評(píng)估所提出的DFIG故障穿越策略，對(duì)電網(wǎng)對(duì)稱和不對(duì)稱短路故障引起的機(jī)端電壓跌落進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)圖6及圖A1的對(duì)比分析，所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制器的故障穿越策略具有非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)速度，有效地限制了轉(zhuǎn)子中的振蕩沖擊電流和Dc-link直流電壓的沖擊值，使其保持在安全限度以下，提高了DFIG的故障穿越能力。

附錄A

(1) RSC的開關(guān)狀態(tài)及輸出電壓

表A1 開關(guān)狀態(tài)及RSC輸出電壓Table A1 Switching modes and output voltages of RSC

(2) 2 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

表A2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要參數(shù)Table A2 DFIG main parameters

(3) PI電流調(diào)節(jié)器作用下的rabci 、dcU 和emT 的波形

圖A1 PI控制下的 rabci 、dcU 和 emT 的波形圖Fig. A1 rabci ,dcU andemT for PI control

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